Universidade de Aveiro 2012 Departamento de Engenharia Mecânica João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Sistema Dinâmico de Microprodução Fotovoltaica de Elevado Rendimento Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Automação Industrial, realizada sob a orientação científica do Dr. José Paulo Oliveira Santos, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro.
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João Luís Cardoso Sistema Dinâmico de Microprodução Fotovoltaica de …§ão.pdf · 2018. 11. 12. · Microprodução, sistemas fotovoltaicos, energias renováveis, smart-grids,
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Universidade de Aveiro
2012
Departamento de Engenharia Mecânica
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos
Sistema Dinâmico de Microprodução Fotovoltaica de
Elevado Rendimento
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos
requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia de
Automação Industrial, realizada sob a orientação científica do Dr. José Paulo
Oliveira Santos, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Aveiro.
o júri
presidente Prof. Dr. Jorge Augusto Fernandes Ferreira professor auxiliar da Universidade de Aveiro
orientador Prof. Dr. José Paulo Oliveira Santos professor auxiliar da Universidade de Aveiro
arguente Prof. Catedrático Joaquim José Borges Gouveia professor catedrático da Universidade de Aveiro
agradecimentos
Quero agradecer ao meu pai Luís, à minha mãe Maria e à minha irmã Ana por
toda a compreensão, apoio e carinho que me foi dado ao longo de toda a
minha vida, principalmente durante a minha ausência e vida académica.
À minha namorada Micaela pelos conselhos, paciência e amizade
durante as fases mais complicadas desta viagem. E pelo constante incentivo
que me fez continuar mesmo em momento de fraqueza.
Ao Professor José Paulo Santos pela paciência, ajuda e disponibilidade
que sempre demonstrou ao longo destes últimos anos.
Por último aos meus amigos, mas não menos importantes, que me
acompanharam quase diariamente ao longo de toda a minha vida académica e
pessoal. Pela sua ajuda, amizade, lealdade e conselhos, tornaram mais fácil,
esta e outras tarefas próprias de um estudante universitário.
Admitindo que o sensor é alimentado a 8V, idealmente este deveria apresentar na sua
saída 4V para uma corrente nula. Isto porque normalmente os sensores são capazes de medir
corrente nos dois sentidos, quando a corrente atravessa o condutor no sentido positivo a tensão à
saída cresce de 4V até 8V e quando no sentido negativo a saída decresce até aos 0V.
Considerando a sensibilidade e o offset pode-se calcular o valor de corrente que poderia
ser falsamente medido.
Como este tipo de sensores têm sensibilidades elevadas, exprimem valores elevados de
corrente em mV, um pequeno desvio do zero poderá causar medições erradas de corrente. É
também de esperar que cada sensor tenha um desvio do zero particular, o que faz com que seja
necessário alguma afinação para obter medidas precisas. Como se pode verificar pelas equações
acima, um erro de 40mV causa um erro de 0,57A.
3.1.1.3 Leitura da Temperatura
Os sensores de temperatura logo à partida já fornecem isolamento, visto que para
efectuar as medições de temperatura não é necessário ter qualquer tipo de ligação com os
potenciais criados nos painéis solares. Daí não ser necessário a distinção (com isolamento ou sem
isolamento) dos vários métodos para medição da temperatura.
3.1.1.3.1 Termístores
Os termístores são sensores semicondutores resistivos, que quando submetidos a
variações de temperatura, variam o seu valor de resistência. A sua componente semicondutora
resistiva é normalmente fabricada em óxidos metálicos, como por exemplo o cobre e o titânio.
São sensores que apresentam uma grande precisão e sensibilidade, são capazes de medir
pequenas variações de temperatura. Consoante o termístor é possível obter sensibilidades que
variam entre 1°C e 0,05°C, sendo os valores intermédios mais comuns. A gama de temperatura dos
termístores encontra-se normalmente entre os -90°C e os 140°C, esta gama é onde o termístor
apresenta uma maior precisão, sendo possível exceder estes valores à custa da redução de
precisão.
Existem dois tipos básicos de termístores, os designados por PTC e NTC. Como foi referido,
os termístores são basicamente resistências variáveis com a temperatura, no caso de um PTC o
42 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
valor da resistência aumenta com o aumento de temperatura e o NTC reduz o valor de resistência
com o aumento da temperatura. Devido a este fenómeno se atribuiu o nome a cada um dos
sensores, PTC para Positive Temperature Coefficient e NTC para Negative Temperature Coefficient.
Na Figura 36 pode-se observar o gráfico referente aos valores de resistência de uma NTC
para diversos valores de temperatura.
Figura 36 - Gráfico R-T de um NTC.
Ambos os termístores não apresentam um comportamento linear da variação de
resistência ao longo da temperatura. De modo a que seja possível corresponder um valor de
resistência a uma determinada temperatura é necessário encontrar uma relação, que pode ser na
forma de uma tabela ou na forma de uma equação. Por vezes os fabricantes fornecem uma tabela
que relaciona a resistência com a temperatura, podendo-se interpolar os valores de modo a obter
correspondências R-T para novos intervalos, não fornecidos na tabela.
A outra maneira é através de uma equação, a equação de Steinhart & Hart permite
relacionar os valores de resistência e temperatura para qualquer termístor, desde que se saibam
os seus coeficientes. A fórmula de Steinhart & Hart é a seguinte:
Os coeficientes a, b e c são relativos ao tipo de material de que o termístor é constituído, R
é o valor da resistência e T é a temperatura. Através desta equação é possível calcular no
momento o valor da temperatura para uma determinada resistência.
Para além da variação de resistência que diferencia uma PTC de uma NTC, existe também
o efeito de auto aquecimento. Este efeito é mais significativo na PTC, para além de reforçar com o
aumento da temperatura. Já foi visto anteriormente que se pode calcular a energia de auto
aquecimento num material resistivo através da lei de Joule. Se a corrente que atravessa uma PTC
0,00
20.000,00
40.000,00
60.000,00
80.000,00
100.000,00
120.000,00
-100,00 -50,00 0,00 50,00 100,00 150,00
Re
sist
ên
cia
(Ω)
Temperatura (°C)
Curva R-T para NTC
Solução Proposta 43
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
for constante e a sua resistência aumentar com a temperatura, então também se está a aumentar
a energia dissipada na forma de calor. No caso da NTC este efeito é auto regulado, visto que o
aumento de temperatura reduz a resistência, e pela lei de Joule também se reduz a dissipação de
energia sobre a forma de calor.
Os termístores só por si não geram nenhum tipo de sinal que possa ser lido por uma ADC,
apenas variam a resistência, sendo necessário adicionar outros componentes de modo a conseguir
um sinal dependente da resistência do termístor. Na Figura 37 pode-se observar um circuito muito
simples para medição da resistência do termístor.
Termístor
R1
Vcc
ADC
Figura 37 - Circuito simples para medição de termístor.
No circuito apresentado, sabendo o valor fixo de Vcc e R1, e medindo a tensão através da
ADC é possível saber o valor da resistência do termístor pela equação abaixo:
Sabendo o valor da resistência do termístor, ou se consulta uma tabela ou se aplica a
equação de Steinhart & Hart.
3.1.1.3.2 TermoResistências
As termoresistências têm um funcionamento muito parecido com os termístores, ambos
variam o seu valor de resistência com a temperatura. A diferença reside nos materiais com que
são construídos, os termístores são baseados em materiais semicondutores enquanto as
termoresistências são baseadas em metais. Para além do material, a linearidade também é
bastante diferente. Os termístores apresentam pouca linearidade devido ao comportamento do
semicondutor com a temperatura, enquanto as termoresistências apresentam uma elevada
linearidade.
As termoresistências metálicas são fabricadas a partir de fios ou fitas de platina, níquel ou
tungsténio. As mais utilizadas são as fabricadas com platina ou níquel, são exemplos a Pt-100, Pt-
1000, Ni-100 e Ni-1000. No caso da Pt-100, esta termoresistência apresenta o valor de 100Ω a 0°C.
44 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Como já foi referido, as termoresistências apresentam uma elevada linearidade com a
temperatura, na Figura 38 pode-se ver a curva R-T da termoresistência Pt-100.
Figura 38 - Curva R-T para Pt-100.
Tal como nos termístores, para além da relação entre a resistência e a temperatura dada
por um gráfico é também possível por uma equação. No caso das termoresistência é possível
utilizar polinómios de vários graus para obter a relação apresentada no gráfico da Figura 38.
Consoante o grau do polinómio utilizado é possível reduzir o erro introduzido pela aproximação do
polinómio à curva real do termístor. Na equação em baixo apresenta-se um exemplo genérico do
polinómio, em que α varia consoante o material de construção da termoresistência.
Como as termoresistências apresentam uma relação R-T com elevada linearidade, na
maior parte dos casos é possível considerar um polinómio de grau unitário como suficiente, neste
caso e admitindo uma termoresistência de platina o valor de α é de 0,38Ω/°C.
A medição da termoresistência pode ser feita, por exemplo, pelo circuito da Figura 39.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
-100 0 100 200 300 400 500 600
Re
sist
ên
cia
(Ω)
Temperatura (°C)
Curva R-T para Pt-100
Solução Proposta 45
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Termoresistência
ADC
Figura 39 - Circuito simples para medição de termoresistência.
É de referir que as termoresistências também sofrem de auto aquecimento, pelo que é
necessário levar em conta o valor da corrente que se faz atravessar pela termoresistência. Valores
da ordem de 1 ou 2mA não deverão ser ultrapassados para medição da termoresistência.
3.1.1.3.3 Electrónicos
Os sensores para medição de temperatura electrónicos, são baseados em material
semicondutor. O que difere este tipo de sensores, por exemplo dos termístores, é a inclusão de
sistemas de acondicionamento de sinal, filtros, linearização e processamento integrados numa
pastilha de silício. Isto permite uma maior abstracção da tecnologia de medição em si, e das suas
particularidades, permitindo ao utilizador uma maior focalização na componente de programação.
E como todos os acondicionamentos e circuitos auxiliares de medição estão totalmente
integrados, permite reduzir o espaço ocupado e facilita a sua integração.
Podem ser distinguidos em três tipos mais importantes, que se relaciona com a interface
de leitura/comunicação com o sensor.
Linear analógica, em tensão ou corrente;
Lógica, nível lógico ou PWM;
Comunicação série, I2C, SPI, RS232, etc.
A resolução de medição associada a estes sensores, pode ir desde o valor mais grosseiro
de 1°C até um valor mais preciso da ordem dos 0,05°C. A gama de temperaturas possível de medir,
dentro das condições normais de funcionamento, prende-se principalmente com o facto de serem
fabricados em material semicondutor, e que pode ir desde -50°C até 125°C.
Os sensores com saída linear analógica irão necessitar de uma ADC para conversão do
valor da tensão. Apesar da saída analógica ser comum a outros tipos de sensores, estes têm a
vantagem, de como foi referido anteriormente, de conterem o circuito de linearização,
acondicionamento de sinal e filtragem.
Na saída lógica, normalmente é possível programar o sensor de modo a activar uma saída
digital em caso da temperatura exceder o valor programado, isto nos sensores com saída de nível
lógico. Não permitem medições constantes da temperatura, apenas indicam quando um
determinado nível é ultrapassado, tendo uma utilização limitada a casos específicos. Como por
exemplo, o controlo de um ventilador para refrigeração forçada na caixa de um computador. Se a
46 Solução Proposta
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saída for do tipo PWM, então já é possível fazer medições de toda a gama de temperatura, através
da medição do duty cycle da onda quadrada de saída do sensor.
Os sensores com as interfaces discutidas até aqui, apenas permitem a sua leitura por ADC
ou entrada digital. Se este for dotado de comunicação série, é possível criar uma rede de sensores
de temperatura, caso sejam do tipo I2C ou SPI. Com a introdução destes sensores, é possível fazer
a medição da temperatura em qualquer instante e sem recorrer a conversões. Isto é possível,
porque questionando o sensor através do tipo de comunicação suportado, é devolvida uma
resposta, em que o valor da temperatura é representado em binário. No caso do TC74 da
Microchip, o valor da temperatura é devolvido num byte, em que o bit mais significativo
representa o sinal da temperatura (1 para negativo e 0 para positivo) sendo os restantes bits
convertidos para decimal dando o valor da temperatura.
Apesar dos sensores com comunicação série, serem mais pesados do ponto de vista da
programação, conseguem libertar muito hardware e baixar o custo do sensor.
3.1.2 Controlo da Produção do Painel (Adição ou Remoção)
De modo a que seja possível implementar um controlo individual na produção
fotovoltaica, e para que se consiga explorar a ideia exposta em 1.2 (Descrição do Problema), é
necessário dotar o módulo painel da capacidade de introduzir ou retirar o painel de produção, ou
por outras palavras é preciso que o módulo painel seja capaz de adicionar ou retirar o painel da
string a que está ligado.
Tendo em conta que os painéis são ligados em série, é necessário que o sistema de
controlo de produção, no caso de remover o painel consiga dar continuidade na string. Caso isso
não aconteça, a remoção de um qualquer painel irá parar a produção total. Na Figura 40 está
esquematizado o princípio de funcionamento que se pretende para o sistema de controlo da
produção do painel. Em caso do interruptor estar na posição nº1, o painel está em série com os
restantes painéis da string e a contribuir para a produção total, se o interruptor estiver na posição
nº2, então o painel fica em vazio e desligado da string, mas dando continuidade à produção dos
restantes painéis.
Módulo Painel
1
2
Figura 40 - Ilustração do funcionamento pretendido para o sistema de controlo de produção.
De modo a implementar esta funcionalidade foram consideradas duas abordagens, a
utilização de um sistema electromecânico ou electrónico. De seguida serão expostas as duas
soluções.
Solução Proposta 47
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
3.1.2.1 Controlo electromecânico
O controlo feito por meio de um equipamento electromecânico é conseguido através da
utilização de um relé ou contactor. Ambos apresentam o mesmo método de funcionamento, são
constituídos por um ou mais contactos que abrem ou fecham consoante é aplicada uma tensão
aos terminais da bobine de controlo. A bobine ao ser alimentada cria um campo magnético que
atrai os contactos, fazendo alterar o seu estado, quando a bobine deixa de ser alimentada os
contactos regressam à posição original.
Podem ser classificados quando ao tipo de contactos e de estado. Um relé ou contactor
pode conter apenas um ou dois tipos de contactos, estes podem ser normalmente abertos ou
normalmente fechados. Um contacto normalmente aberto/fechado significa que quando a bobine
de controlo deixar de ser alimentada, este irá retornar mecanicamente ao estado aberto/fechado.
Quanto ao tipo de estado, podem ser classificados em mono estáveis ou biestáveis. Os
mono estáveis apenas conseguem manter um estado (aberto ou fechado) quando a bobine não
está a ser alimentada, no caso dos biestáveis é possível obter permanentemente qualquer um dos
estados (aberto ou fechado) sem alimentar a bobine. No caso dos biestáveis, o estado a manter é
seleccionado pelo sentido da corrente que atravessa a bobine de controlo ou então existem duas
bobines de controlo para cada estado.
A grande diferença entre contactores e relés reside na potência que estes conseguem
controlar e na sua robustez física e mecânica.
Como se pôde observar na Figura 40, o interruptor utilizado para descrever o
funcionamento do controlo de produção, pode ser directamente substituído por um relé ou
contactor, ficando a efectuar a função desejada. Os requisitos a levar em conta para a selecção do
relé ou contactor são essencialmente dois, a corrente nominal de condução e corte, e a tensão
para alimentação da bobine de controlo. No caso da corrente, o relé terá de conseguir conduzir e
cortar uma corrente de valor igual ou superior à máxima prevista na string, esta pode ser obtida
nas características eléctricas dos painéis solares a utilizar (corrente de curto-circuito). A tensão de
alimentação da bobine de controlo, deverá ser seleccionada conforme os níveis de tensão
disponíveis no módulo painel e no sistema que irá actuar a bobine. Valores de tensão comuns para
alimentação da bobine são, por exemplo, 5V, 9V, 12V, 24V.
Na Tabela 7 são apresentadas outras características adicionais a ter em conta na selecção
do relé ou contactor.
48 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Característica Valor
Actuação da bobine AC e/ou DC
Potência da bobine W
Resistência da bobine Ω
Tensão de activação/desactivação garantida V
Número de operações (na ordem dos 10 a 100 milhões de operações)
Tabela 7 - Outras características para selecção do relé ou contactor.
3.1.2.2 Controlo electrónico
O controlo electrónico é conseguido através de componentes semicondutores, como os
transístores, MOSFET’s ou tiristores. Estes componentes não utilizam partes mecânicas para
conduzir ou cortar uma corrente eléctrica, tornando-os mais duradouros e com um número de
operações quase infinito. Em contrapartida dissipam grandes valores de energia relativamente aos
contactores e relés.
Dos vários componente semicondutores, foi considerada a hipótese de utilização de
MOSFET’s para o controlo de produção. O que se tornou numa hipótese não viável, sendo a sua
inviabilização explicada de seguida.
De modo a compreender o problema encontrado com os MOSFET’s é necessário
compreender um pouco o seu funcionamento. Os MOSFET’s podem trabalhar em três modos
distintos, o corte, o tríodo (ou região linear) e a saturação. Estes modos de funcionamento podem
ser seleccionados conforme os níveis de tensão aplicados em cada um dos terminais do MOSFET.
Este é constituído por três terminais, o dreno a source e a gate, na Figura 41 pode-se visualizar os
terminais do MOSFET’s na sua configuração de canal P e canal N.
G
S
DS
D
G
Canal N Canal P
Figura 41 - Simbologia MOSFET.
Na Tabela 8 estão organizados os três diferentes modos de funcionamento do MOSFET,
com as equações responsáveis por determinar o respectivo modo de funcionamento.
Modo de funcionamento Equação
Corte
Tríodo ou Região Linear Saturação
Tabela 8 - Modos de funcionamento do MOSFET e suas equações.
Solução Proposta 49
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Para a aplicação pretendida apenas os modos de corte e saturação são necessários, visto
que se pretende o corte ou a condução máxima de corrente. Adaptando o esquema da Figura 40
para funcionar com MOSFET’s obtém-se o esquema da Figura 42.
Módulo Painel
S D
G1
S D
G2
Figura 42 - Controlo de produção por MOSFET.
Atendendo ao MOSFET nº1 e considerando a equação que define o corte, tem de se
garantir uma tensão entre a gate e a source inferior à tensão de threshold do MOSFET. O valor da
tensão de threshold é indicada pelo fabricante, considerando-se de 2V para este exemplo. Tendo
em conta que a tensão entre o dreno e a source é zero (ou muito perto disso), não é possível
garantir o valor da tensão de threshold (2V), visto não existir uma diferença de potencial suficiente
aos terminais do MOSFET para garantir o seu correcto funcionamento. Ficando o valor da tensão
de threshold indefinido.
Foi executada uma simulação no software MultiSim da National Instruments e realizada
uma pequena montagem em laboratório, de acordo com o circuito da Figura 42 mas considerando
apenas o MOSFET nº1. Pelo resultado obtido em ambos, conclui-se que o MOSFET esteve sempre
em condução, apesar de se forçar a tensão na gate ao máximo e mínimo disponível no módulo
painel. Na montagem em laboratório, foi possível verificar uma pequena variação da corrente
quando se passava da saturação para o corte, não sendo possível atingir a condição de corte.
Devido a este problema no controlo do MOSFET e pelo facto de dissipar muita energia na
forma de calor, foi preferida a utilização de relés.
3.1.3 Unidade de Processamento
Para que seja possível interligar as várias funcionalidades do módulo painel é preciso dotá-
lo de processamento próprio. A adição de processamento ao módulo fará com que este adquira
uma certa autonomia, consiga executar rotinas pré-programadas e consiga adaptar-se a
alterações.
De um modo geral, a unidade de processamento terá de controlar três importantes
blocos. O bloco de instrumentação, onde se encontram os sensores para medida dos valores do
painel solar, o bloco de controlo da produção do painel e o bloco de comunicação. Na Figura 43
pode-se observar a interligação entre os vários blocos e a unidade de processamento (CPU).
50 Solução Proposta
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CPU
Instrumentação
ControloProdução
Comunicação
Figura 43 - Interligação de blocos com CPU.
A CPU só por si não consegue interagir com os diferentes blocos do sistema. Por exemplo,
uma conversão analógica para digital é impossível de efectuar só com base na CPU, tendo de se
recorrer a um periférico para o efeito. Apesar de ser possível adicionar vários periféricos
necessários para a interacção entre os diferentes blocos do sistema e a CPU, estar-se-ia a
desenvolver uma solução muito complexa e cara.
Para evitar este problema, recorre-se à utilização de microcontroladores. Estes
dispositivos não são mais que um CPU e um conjunto de periféricos montados num único
componente electrónico. Consoante o fabricante e a aplicação é possível escolher entre uma vasta
gama de microcontroladores, as grandes diferenças residem nos periféricos embutidos, na
memória RAM, Flash e CPU.
Na selecção do microcontrolador foi dada maior importância aos periféricos embutidos,
de modo a que estes consigam suprimir as necessidades do módulo painel. Pelo que foi
apresentado até aqui, o microcontrolador terá de incluir os seguintes periféricos:
ADC (para aquisição dos valores analógicos de tensão e corrente);
SPI/I2C (para aquisição do valor digital da temperatura);
I/O digitais (para controlo da produção);
RS232 (para comunicação com a rede).
Dada a diversificação dos microcontroladores, é possível eleger vários candidatos com a
selecção de periféricos mencionados acima. Dessas várias possibilidade o PIC18F26J50 da
Microchip é um dos candidatos. Na Tabela 9 são apresentados alguns dos periféricos e
características deste microcontrolador.
Solução Proposta 51
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Periféricos Quantidade
ADC 10 Canais, 10-bits de resolução
SPI/I2C 2 Periféricos
RS232 2 Periféricos
I/O digitais >20
Temporizadores 5
WatchDog Timer 1
Memória/CPU Capacidade
RAM 3,8KBytes
Flash 64KBytes
Frequência da CPU 31kHz - 48MHz
Características Limites
Tensão de Funcionamento 2 - 3,6V
Temperatura de Funcionamento -40 - 85°C Tabela 9 - Características adicionais do PIC18F26J50. Fonte: [13].
Este microcontrolador é capaz de fornecer não só os periféricos necessários, como
também memória suficiente para alojar o programa (Flash) e as suas variáveis (RAM). A velocidade
da CPU é variável, o que permite adaptar os consumos de energia do microcontrolador a várias
situações.
3.1.4 Alimentação do Módulo
Qualquer que seja o método de medição de tensão, corrente, temperatura, controlo de
produção e microcontrolador é preciso fornecer energia aos componentes envolvidos. A energia
terá de ser tratada de acordo com as necessidades de cada um dos componentes.
Duas soluções foram propostas para fornecer energia aos módulos painel, cada uma delas
com as suas particularidades a levar em conta. As soluções de alimentação para o módulo painel
são as seguintes:
1. A partir da energia gerada pelo próprio painel;
2. Através de uma fonte externa;
3. Através de uma fonte externa com isolamento nas comunicações
Mais uma vez e como em situações anteriores, o isolamento não será explicado para já
mas continua a ser um factor importante na tomada de decisões. Por agora serão apresentadas
em maior detalhe as duas soluções de alimentação do módulo painel, levando em conta que terá
de existir isolamento entre o potencial da energia produzida pelos painéis e o módulo central.
3.1.4.1 Alimentação pelo Painel Solar
Esta solução permite alimentar o módulo painel a partir do painel solar onde está
acoplado, evitando a necessidade de utilizar uma fonte de energia externa, que na situação mais
desfavorável teria de suportar o consumo máximo de todos os módulos painel. Mas aparece a
necessidade de tratar a energia proveniente do painel, os níveis de tensão produzidos pelo painel,
para além de variarem ao longo do dia são muito elevados para o tipo de electrónica em causa. A
52 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Figura 44 ilustra os vários blocos constituintes do módulo painel, alimentados com a energia
provenientes do painel. O bloco laranja onde se lê “Alimentação”, apesar de não detalhado
representa onde a energia proveniente do painel é normalizada de acordo com os limites dos
componentes.
Medição de
Valores
Controloda
Produção
Comunicaçãocom aRede
Microcontrolador
AlimentaçãoVpainel
Isolamento
Figura 44 - Constituição geral do módulo painel, com alimentação proveniente do painel solar.
Como se pode ver (Figura 44) o isolamento teve de ser garantido no bloco das
comunicações, entre o módulo painel e o módulo central, dando a possibilidade de se
alimentarem os restantes blocos pelo painel solar. Sendo assim poder-se-ia utilizar os métodos de
medição e controlo abordado nos capítulos 3.1.1 (Medição de Valores) e 3.1.2 (Controlo da
Produção do Painel (Adição ou Remoção)) que não forneçam isolamento.
3.1.4.2 Alimentação por Fonte Externa
No caso de a alimentação ser efectuada por uma fonte externa, capaz de alimentar todos
os módulos painel, ter-se-ia de dimensionar um condutor capaz de transportar a potência
necessária para todos os módulos, levando também em conta as quedas de tensão criadas pelo
comprimento do condutor.
Medição de
Valores
Controloda
Produção
Comunicaçãocom aRede
Microcontrolador
Isolamento
FonteExterna
Figura 45 - Constituintes do módulo painel, alimentados por uma fonte externa.
A Figura 45 ilustra os vários componentes do módulo painel alimentados por uma fonte
externa, indicada pelo bloco laranja onde se lê “Fonte Externa”. Nesta situação o isolamento teve
de se colocar a cargo dos blocos de “Medição de Valores” e “Controlo de Produção”, levando a
adoptar os métodos de medição e controlo abordados em 3.1.1 (Medição de Valores) e 3.1.2
(Controlo da Produção do Painel (Adição ou Remoção)) que fossem dotados de isolamento.
Solução Proposta 53
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
3.1.4.3 Alimentação por Fonte Isolada
Utilizando este tipo de alimentação é possível utilizar o isolamento nas comunicações,
(como é feito em 3.1.4.1 - Alimentação pelo Painel Solar) mas fornecendo a energia por uma fonte
externa (como se apresenta em 3.1.4.2 - Alimentação por Fonte Externa).
Para conseguir esta variante de alimentação do módulo painel, é necessário recorrer a
fontes isoladas. As fontes isoladas aqui referidas são conversores DC/DC que utilizam
transformadores para conseguir isolamento e transferência de energia ao mesmo tempo. Estes
equipamentos recebem energia DC na entrada, que internamente é convertida em AC e
introduzida no transformador, gerando energia DC na saída, obtida pela rectificação à saída do
transformador. Na Figura 46 pode-se visualizar o esquema de blocos da fonte isolada aqui
referida.
V1 V2
GND2GND1
Vin Vout_isolado
Figura 46 - Diagrama de blocos fonte isolada.
Utilizando este método de alimentação dos módulos painéis é necessário utilizar uma
fonte isolada por módulo. A Figura 47 ilustra os vários blocos do módulo painel utilizando
alimentação por fonte isolada.
Medição de
Valores
Controloda
Produção
Comunicaçãocom aRede
Microcontrolador
Isolamento
FonteExterna
Fonte Isolada
Figura 47 - Constituintes do módulo painel, alimentado por fonte isolada.
Com este método de alimentação é possível continuar com o isolamento no bloco das
comunicações e alimentar o módulo painel a partir de uma fonte externa, mantendo sempre o
isolamento.
3.1.5 Comunicação com a Rede
A necessidade de comunicação dos módulos através de uma rede de dados levanta
algumas considerações adicionais, que serão ditadas pela constituição do módulo painel. Ou seja,
pela selecção de métodos de leitura e controlo seleccionados. No subcapítulo 3.1.4 (Alimentação
do Módulo), nomeadamente na secção onde se apresenta a possibilidade de alimentar o módulo
painel a partir do painel solar, verifica-se a utilização de isolamento no bloco das comunicações.
54 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Neste subcapítulo pretende-se apresentar as considerações levadas em conta para o bloco
das comunicações, não sendo aqui discutidos detalhes sobre protocolos, tecnologias de rede, etc.
Na maioria das vezes para que o microcontrolador consiga comunicar com a rede de
dados, não basta conter os periféricos necessários, outros factores como níveis de tensão,
polaridades, número de canais, tipo de rede, tipo de sinal (ex.: eléctricos ou radiofrequência), não
são possíveis de alcançar só com o microcontrolador e o periférico.
Para tornar possível essa comunicação são utilizados transcievers, estes englobam em
apenas um pacote todos os componentes extra, necessários à comunicação com uma
determinada rede. Reduzindo o número de componentes necessários à interface entre o
microcontrolador e um determinado tipo de rede. Estes componentes podem simplesmente
converter um tipo de comunicação noutra (SPI/Zigbee), ou manter o mesmo tipo de comunicação
mas adaptando, por exemplo, os níveis de tensão. A conversão entre diferentes tipos de
comunicação poderá levar à inclusão de outras funcionalidades no transciever, como endereço
MAC (para transcievers Ethernet), protocolos de acesso ao meio (por exemplo, CSMA/CD para
Zigbee) e algoritmos de encriptação. Estas funcionalidades extra estão também embutidas no
pacote do transciever, deixando a cargo deste algum do processamento necessário requerido por
uma determinada rede, libertando o microcontrolador dessas funções.
Alguns transciever são apresentados na Tabela 10 com uma descrição sucinta das suas
características.
Transciever/Fabricante Descrição
MRF24J40 - Microchip Transciever wireless com suporte para ZigBee. Comunicação entre microcontrolador e transciever através de SPI. Comunicação entre transcievers através de radiofrequência (2,4GHz). Suporta encriptação, CSMA/CD, RSSI, etc.
ADM2484E – Analog Devices Transciever RS485. Comunicação entre transciever e microcontrolador através de porta série RS232. Comunicação entre transcievers por RS485. Oferece isolamento entre a comunicação RS232 e a RS485.
ADM234L – Analog Devices Transciever RS232. Efectua conversão de sinal CMOS/TTL em níveis de tensão normalizados RS232.
Tabela 10 - Exemplos de transcievers.
Levando novamente em consideração a utilização de isolamento, apenas dois dos
transcievers apresentados são candidatos a utilizar no bloco de comunicações, na situação de
alimentação do módulo painel a partir do próprio painel solar. O primeiro transciever (MRF24J40)
já oferece o isolamento por fazer uso de uma comunicação de radiofrequência, o que elimina a
utilização de materiais condutores e assim a necessidade de isolamento. No segundo transciever
Solução Proposta 55
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
(ADM2484E), são utilizados condutores eléctricos, mas é criada uma barreira de isolamento entre
as duas metades do transciever.
3.1.6 Soluções Propostas
Como foi referido, é possível obter diferentes variantes do módulo painel, consoante os
sistemas de medição e actuação seleccionados. Foi também referido que o factor isolamento seria
importante na selecção de uma das várias variantes do módulo painel. Aqui será explicado a
necessidade de se considerar o isolamento como um factor importante, as várias soluções
propostas para o módulo painel e qual a solução implementada no protótipo.
A existência de um módulo painel por painel solar, e a necessidade de medir e controlar
esse mesmo painel, cria no módulo uma dependência do potencial existente aos terminais desse
painel solar. Uma vez que todos os módulos são interligados por uma rede de comunicação, cria-
se um caminho perigoso que interliga módulos referenciados a potenciais diferentes. Isto causa o
aparecimento de tensões perigosas nas comunicações bem como passagem de correntes que
destruirão a rede e/ou módulos conectados na rede.
Como se pode observar pela Figura 48, a dependência dos módulos painel do referencial
criado aos terminais de cada painel solar, faz com que o nível de tensão introduzido na rede de
comunicação seja tão elevado quanto a tensão produzida em série pelos painéis solares. Sendo
assim o valor de tensão na rede terá o valor correspondente da soma de V1 com V2, sendo a
tensão na rede imposta pelo módulo referenciado ao potencial mais elevado.
R1
R2
V2
uC
R1
R2
V1
VADC
uC
V_Rede
Red
e de C
om
un
icação
Módulo Painel 1
Módulo Painel 2
V1+V2
VADC
Figura 48 - Criação de referenciais perigosos.
56 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Para evitar esta situação foi necessário recorrer-se ao isolamento, quer seja este
efectuado nas comunicações, medições ou ambos. A explicação que leva à utilização de
isolamento nos módulos painéis só agora foi exposta, com o intuito de facilitar a apresentação das
diferentes hipóteses consideradas para a medição, controlo, alimentação e comunicação.
Agora que os vários métodos foram apresentados e exposta a necessidade de utilizar
isolamento, pode-se apresentar as várias combinações levadas em conta para o módulo painel. Na
Tabela 11 estão as várias combinações consideradas para o módulo painel, indicando qual ou
quais os métodos utilizados em cada um dos blocos do módulo.
Leitura da Tensão
Leitura da Corrente
Leitura da Temperatura
Controlo da Produção
Alimentação Comunicação
Nº 1 Sistema Resistivo ou Sistema Resistivo Compensado
Sensor de Hall
Electrónicos Controlo Electromecânico
Alimentação por Fonte Externa
Transciever não Isolado.
Nº 2 Divisor Resistivo
Resistência Shunt
Electrónicos Controlo Electromecânico
Alimentação pelo Painel Solar
Transciever Isolado (Wireless).
Nº 3 Divisor Resistivo
Resistência Shunt
Electrónicos Controlo Electromecânico
Alimentação pelo Painel Solar
Transciever Isolado.
Nº 4 Divisor Resistivo
Resistência Shunt
Electrónicos Controlo Electromecânico
Alimentação por Fonte Isolada
Transciever Isolado
Tabela 11 – Soluções propostas para o módulo painel.
Como se pôde observar nas diferentes variações do módulo painel, o isolamento ou é
garantido no método de leitura da tensão e corrente, ou na alimentação e comunicações. Este
facto prendeu-se com o aumento de preço do módulo painel, caso o isolamento fosse utilizado
nas medições e nas comunicações simultaneamente.
Comum a todas as variantes do módulo painel, encontra-se a medição da temperatura e o
controlo de produção. De todos os métodos para medição da temperatura o electrónico destaca-
se pela sua simplicidade e abstracção do hardaware necessário para efectuar as medições de
temperatura. Tendo em conta que o microcontrolador seleccionado suporta comunicação SPI/I2C,
é fácil interligar um sensor de temperatura electrónico com o mesmo tipo de comunicação. Assim
elimina-se a necessidade de calibração e linearização do sensor, ficando estas a cargo do sensor,
restando ao microcontrolador fazer a leitura da temperatura na forma de uma palavra binária.
Em relação à utilização do controlo de produção electromecânico, este foi escolhido
devido a inviabilização do controlo electrónico nesta situação. Adicionalmente o relé providencia
isolamento e não dissipa energia na forma de calor. Com os relés electromecânicos no auge do seu
Solução Proposta 57
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desenvolvimento, o número de operações e o tempo de vida já são bastante elevados,
apresentando o relé como uma hipótese fiável.
As restantes componentes (Leitura da Tensão, Leitura da Corrente, Alimentação e
Comunicação) diferem entre as variantes propostas para o módulo painel, o factor custo
apresentará um grande peso na sua escolha.
À partida é possível prever um custo mais elevado aplicando isolamento nas medições do
que nas comunicações. Isto porque nas comunicações basta utilizar apenas um transciever
isolado, ao invés nas medições é necessário aplicar isolamento na medição da tensão e na
medição da corrente. O preço terá tendência a subir por ter de se tratar duas componentes em
separado (tensão e corrente).
Para a medição de tensão, o método do Divisor Resistivo (Sem isolamento) não
proporciona isolamento, mas apresenta uma elevada linearidade e um preço extremamente baixo
(≤0,15€). No caso do Sistema Resistivo (Com isolamento)é proporcionado isolamento, ao custo da
perda de linearidade, apresentado um custo superior ao do método do Divisor Resistivo (Sem
isolamento). Isto porque para garantir o isolamento é necessário utilizar um opto acoplador
(≥0,9€). Finalmente, o Sistema Resistivo Compensado (Com isolamento) tal como o anterior
oferece isolamento mas elimina por completo a perda de linearidade. É necessário recorrer a um
opto acoplador linear e a um comparador, o que torna este sistema o mais caro dos três
apresentados (≥8€).
Na medição da corrente acontece o mesmo que na medição da tensão, a utilização de
uma resistência shunt e de um amplificador, apresentam uma elevada linearidade a um preço
reduzido (≥0,80€). Enquanto a utilização de um sensor de hall comercial garante isolamento e
linearidade, mas fá-lo a um preço bem mais elevado (≥10€).
A selecção do método para alimentação do módulo painel, irá ficar dependente da
variante escolhida, devido a dependências relativas aos métodos de medição e comunicação,
sendo definido após a escolha da variante dos módulos painel.
Nas comunicações podem-se considerar três tipos de isolamento, transciever sem
isolamento, transciever com isolamento, e transciever wireless. Sendo este último o mais
dispendioso e complexo de implementar do ponto de vista de programação. Consoante a
tecnologia de comunicação, os transcievers irão variar bem como o seu preço. Para existir uma
base de comparação, define-se a tecnologia de comunicação RS485 para comparação do preço
dos transcievers. Um transciever RS485 sem isolamento apresenta o custo mais baixo dos três
(≥3€), enquanto o transciever RS485 com isolamento apresenta o preço intermédio (≥6€) e
finalmente o transciever wireless apresenta o preço mais elevado (≥11€).
Os diferentes métodos de medição e comunicação foram analisados, principalmente com
base no seu custo. Consoante a base de preços apresentada ao longo da descrição, pode-se
verificar que ao utilizar isolamento nas comunicações (com o transciever isolado, de preço
58 Solução Proposta
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intermédio) é possível utilizar os métodos de medição sem isolamento e de preço mais reduzido.
Em suma, o balanço do preço geral do módulo é bastante reduzido pela utilização de um
transciever mais caro, mas em contrapartida utilizam-se os métodos de medição mais baratos.
As variantes que encaixam na descrição são as Nº3 e Nº4, em que a diferença entre elas
reside no método de alimentação.
O protótipo fabricado para testes é baseado na solução Nº3, com o acréscimo de uma
fonte isolada. Dando a possibilidade de alterar o método de alimentação do módulo, ou pelo
painel solar ou por uma fonte externa. Criando uma junção entre a variante Nº3 e a Nº4, sendo o
resto inalterável.
O protótipo fabricado foi baseado nas considerações até aqui expostas. Foi testado apenas
em laboratório, estando ainda pendente o seu teste numa instalação solar fotovoltaica real. O
estudo e concepção do protótipo é apenas metade do desenvolvimento, sendo os testes em
campo e consequentes alterações a outra metade necessária para se fechar o ciclo de
desenvolvimento.
3.1.7 Funcionamento
O módulo painel em termos de comunicação apresenta um comportamento passivo, não
iniciando qualquer tipo de comunicação. Este módulo escuta continuamente a rede à espera de
uma comunicação iniciada pelo módulo central, e que se destine ao módulo painel em causa.
A principal funcionalidade deste módulo é efectuar constantemente medições sobre o
estado do painel solar ao qual está acoplado. Essas medições são guardadas localmente no
módulo painel, sendo apenas o valor mais recente acessível.
Os valores das medições serão enviados para o módulo central assim que este os
requisitar. No que toca ao controlo de produção do painel, o módulo irá executar os comandos
emitidos pelo módulo central, adicionando ou retirando da produção o painel solar, consoante o
comando.
Como foi dito o módulo painel tem um comportamento passivo, mas existem duas
situações em que pode assumir um comportamento activo, não em relação às comunicações mas
no que toca ao controlo de produção. Para evitar um pico de tensão no inversor, caso a instalação
fique em vazio, é necessário uma actuação rápida. De modo a que esta actuação seja o mais
rápida possível, o próprio módulo painel pode retirar da produção o painel solar. O valor a partir
do qual o módulo painel retira o painel solar de produção é definido pela tensão de segurança do
painel. Enquanto o valor da tensão medido no painel solar não retornar a valores normais, o
módulo painel não permite a entrada em produção do painel em questão.
O valor da tensão de segurança é programado no módulo painel pela configuração
disponível no módulo central. Este valor de segurança, pode ser considerado como o valor de
tensão do painel solar em vazio fornecido pelo fabricante. Admitindo que os módulos painel estão
Solução Proposta 59
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a ser iniciados, não existirá nenhum valor de segurança configurado, nesta situação o módulo
painel irá esperar pelo envio dos valores de configuração, não podendo ser controlado pelo
módulo central até que seja configurado.
Com este mecanismo de bloqueio, é possível proteger a instalação e o inversor caso entre
em vazio repentinamente e evita uma possível má actuação por parte do módulo central em caso
de se medir valores de tensão muito elevados, e típicos de um sistema em vazio. Na Figura 49
pode-se visualizar o fluxograma geral do comportamento do módulo painel em relação às
comunicações e ciclo contínuo de medição de valores e verificação da tensão de segurança.
Inicio
Recebida Mensagem do
Módulo Central
Módulo Painel Configurado?
Pedido de Configuração
Não Sim Processamento da Mensagem
Envio de Valores para Módulo
Central
Medição de Valores
Excedida tensão de segurança?
Retirar Painel Solar de Produção
Sim
Bloqueio do Módulo Painel
Não
Rotina Normal, sem interrupção de recepção ou envio de mensagens.
Figura 49 - Fluxograma de funcionamento geral do módulo painel.
Em caso de manutenção ou reparação, este módulo contém um sistema de visualização
luminoso, que pode ser activado pelo módulo central a pedido do utilizador. Este modo de
sinalização pode ser activado em qualquer altura, desde que o sistema se encontre em modo
manual. Desta maneira é possível sinalizar um módulo painel que apresente mau funcionamento
ou valores desmedidos.
3.2 Módulo Central O módulo central é o equipamento responsável pela gestão da rede e de todos os
módulos painel. A sua função principal é a gestão da rede de acordo com os parâmetros
introduzidos, estes parâmetros reflectem as características e limitações eléctricas do inversor e da
instalação fotovoltaica. Terá outras funcionalidades adicionais, que serão apresentadas através de
uma interface web, e que servem como ferramentas de gestão e alerta.
3.2.1 Comunicações
O módulo central suporta vários tipos de comunicação. A principal é a que permite o
acesso à rede de dados, onde se encontram ligados os módulos painel. As características físicas e
protocolares deste tipo de comunicação serão abordadas mais à frente no capítulo 3.3 (Rede de
Comunicação). Uma vez ligado à rede de dados, o módulo central iniciará a procura pelos módulos
60 Solução Proposta
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painel activos, recolhendo os dados de cada um. Com base nos dados recolhidos dos vários
módulos painel e os parâmetros de configuração inseridos previamente, irá gerir a rede de dados
e os módulos painel activos com o objectivo de aumentar o máximo possível a produção, para as
diferentes condições de intensidade luminosa ao longo do dia, sem exceder os limites
predefinidos.
Para além da comunicação com a rede de dados, que apenas serve para comunicar com os
módulos painel e gerir a rede, existem outras duas comunicações. Estas têm o propósito de alertar
o utilizador e permitir acompanhar o estado da instalação fotovoltaica. Uma delas é a
comunicação TCP/IP-Ethernet, através da qual é possível ligar o módulo central a uma rede do
mesmo tipo já existente. Por exemplo, ligando o módulo central a um router existente na casa do
utilizador é possível que este consiga aceder a uma página web alocada dentro do módulo central,
a partir de qualquer computador. A página web disponibilizada permite principalmente a
configuração dos parâmetros eléctricos da instalação fotovoltaica, para além de outras
funcionalidades como a monitorização da instalação e simples tarefas de manutenção. O acesso a
esta página não está restrito a um acesso local, podendo ser acedido remotamente através de
qualquer equipamento com ligação à internet.
A outra tecnologia de comunicação instalada no módulo central permite o acesso deste a
uma rede GSM, permitindo o envio e recepção de mensagens de texto. Estas mensagens podem
ser enviadas para um número de telemóvel configurado e servem para alertar o utilizador de
eventos importantes que aconteçam na instalação fotovoltaica. O próprio utilizador também
poderá enviar mensagens para o módulo central, desde que devidamente formatadas, de modo a
requisitar mais informação ou comandar algum tipo de acção.
Das três comunicações disponibilizadas no módulo central, comunicação com a rede de
dados, comunicação TCP/IP-Ethernet e comunicação GSM, apenas as duas últimas podem ser
facultativas. Apesar do protótipo ser desenhado para utilizar as duas últimas, é possível alterar
este esquema de funcionamento. Por exemplo, numa instalação remota poderá não existir acesso
à internet, pelo que se poderá utilizar apenas a comunicação GSM para supervisionamento da
instalação fotovoltaica remotamente. Como se irá ver mais adiante, o facto de utilizar a
comunicação GSM para supervisionamento é possível, mas não permite uma interactividade nem
acesso a outras funcionalidades que apenas se podem aceder através da comunicação TCP/IP-
Ethernet (página web).
3.2.2 Interface
Como referido o módulo central permite alojar uma página web, através da qual se
consegue aceder a funcionalidades e configurações. De modo a permitir criar uma interface
apelativa, simples e interactiva, foi necessário recorrer a certas tecnologias web.
A interface gráfica criada é composta por várias janelas, que dão acesso a informação ou
configurações, sobre a instalação fotovoltaica. A organização das várias janelas pode-se visualizar
de seguida:
Solução Proposta 61
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
1. Inicio 2. Informações
a. Estado dos Painéis b. Estatísticas
3. Configurações a. Dados Login b. GSM c. Inversor
4. Manutenção 5. Sobre
O nome dado a cada uma das janelas ajuda a identificar o tipo de informação que se pode
encontrar dentro da janela, facilitando a procura do utilizador pela informação desejada. As
janelas mais importantes são indicadas nos pontos 2, 3 e 4. As janelas do ponto 2 (Informações)
permitem apenas consultar dados relativos a instalação fotovoltaica, no ponto 2.a (Estado dos
Painéis) é possível visualizar os módulos painel activos, o seu estado (em produção ou fora de
produção) e os seus valores (tensão, corrente, temperatura), no ponto 2.b seria possível visualizar
um gráfico com os valores de produção anteriores, esta janela encontra-se inacabada devido à
pouca quantidade de memória (RAM e Flash) restante no microcontrolador do módulo central.
No ponto 3 (Configurações) encontram-se agrupadas as janelas de configuração, onde o
utilizador poderá inserir os dados pertinentes à sua instalação fotovoltaica de modo a configurar o
sistema. O ponto 3.a contém uma janela onde é possível alterar os dados de acesso ao módulo
painel, este é protegido contra acessos não permitidos e inicializa pela primeira vez com um
username e password padrão. Em 3.b é possível configurar os números de telemóvel para alertas,
verificar o saldo do cartão, a operadora e a força do sinal, esta janela também se encontra
inacabada. No ponto 3.c encontra-se uma das janelas mais importante, onde se pode configurar os
dados referentes ao inversor da instalação fotovoltaica e que influenciaram as decisões tomadas
pelo módulo central na produção. Os dados possíveis de inserir nesta janela são apresentados na
Tabela 12.
Característica Unidades
Tensão máxima do inversor V
Corrente máxima do inversor A
Limite de potência a produzir W
Tensão de segurança do painel V Tabela 12 - Configurações inversor.
Na janela referente ao ponto 4, é possível alterar o funcionamento do sistema para modo
manual e efectuar um controlo manual da produção, bem como activar o sistema de indicação do
módulo painel, onde é possível activar a sinalização luminosa presente em cada módulo painel.
De seguida serão apresentadas as tecnologias web utilizadas para criação da interface web
e suas respectivas janelas.
62 Solução Proposta
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
3.2.2.1 HTML
A linguagem HTML (Hypertext Markup Language) é a linguagem por marcações mais
utilizada na criação de páginas web e apresentação de conteúdos online num navegador web.
As marcações HTML são contidas entre “<”, “>” e são compostas por uma marca de início
(Ex: <center>) e uma marca de fim (Ex: </center>), onde todo o conteúdo entre marcas terá as
propriedades da marcação utilizada (no exemplo o conteúdo será centrado).
Algumas das marcações não apresentam marca de finalização, isto porque não são
utilizadas para atribuir propriedades a um conteúdo, mas sim para o criar. Os conteúdos podem
ser texto, botões, imagens, som, tabelas, etc.
As marcações servem apenas para interpretação do navegador web e não são
apresentadas ao utilizador. O navegador web após interpretar as várias marcações cria uma
versão da página legível, onde o conteúdo inserido é moldado de acordo com as propriedades das
marcações onde foi inserido.
3.2.2.2 Estilos CSS
O estilo CSS (Cascading Style Sheets) é uma linguagem de estilo utilizada em conjunto com
linguagem por marcação, como é o exemplo do HTML.
Esta linguagem tem o propósito de separar o conteúdo de um documento da sua
apresentação. Tornando mais fácil alterar o estilo dos conteúdos a partir de um ficheiro externo
(.css), sem necessidade de alterar o ficheiro dos conteúdos (.html).
As propriedades do estilo CSS são vastas, podendo ser atribuídas a um documento inteiro
ou apenas a algumas das marcações. No excerto de código abaixo é possível observar a aplicação
de um estilo CSS à marcação body do documento HTML. Neste caso todo o conteúdo contido na
marcação body irá apresenta a cor de fundo definida.
body background-color: #999999; z-index: 3;
3.2.2.3 JavaScript
JavaScript é uma linguagem de programação, criada para ser executada e interpretada
pelo navegador web no computador do utilizador. Através desta linguagem é possível criar uma
interface melhorada e páginas web dinâmicas.
O recurso a esta tecnologia permite, por exemplo, validar dados antes de serem
submetidos para o servidor, evitando sobrecarregar o servidor com o processamento de dados
inválidos.
Solução Proposta 63
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
A sintaxe desta linguagem é muito parecida com a linguagem C, não tendo qualquer
relação com esta ou com a linguagem de programação Java.
3.2.2.4 Ajax
Ajax (Asynchronous JavaScript and XML) é uma tecnologia web que permite desenvolver
aplicações assíncronas executadas no computador do utilizador.
Desta maneira é possível transferir dados entre o navegador web e o servidor
assincronamente, sem que a apresentação da página web (HTML) seja influenciada. Se um certo
conteúdo demorar muito tempo a ser descarregado para o computador do utilizador, este poderá
continuar a visualizar e interagir com a página web sem qualquer lentidão ou demora.
3.2.3 Funcionamento
O módulo central é capaz de controlar todas as comunicações referidas em simultâneo,
sendo que as comunicações Ethernet e GSM só funcionarão caso o sistema tenha uma mensagem
pendente e/ou um acesso à sua página web, sendo que estão inactivas ou em funcionamento
reduzido durante o restante tempo. A única comunicação que é permanente e que se encontra em
constante actividade é a que garante acesso à rede onde os módulos painel estão conectados.
Esta actividade permanente é resultado de um ciclo de código implementado no módulo
central e que tem como propósito a constante monitorização dos valores de cada painel e
execução de um algoritmo de controlo. Este algoritmo de controlo, apesar de simples (versão de
protótipo), é responsável por ajustar a produção fotovoltaica de acordo com os parâmetros
configurados (ver 3.c e Tabela 12). Na Figura 50 é possível observar o fluxograma do algoritmo de
controlo, apresentando de uma maneira geral o funcionamento do algoritmo e as etapas de
[22] E. P. Caroço, “Instalações Fotovoltaicas,” CERTIEL, 2012.
[23] Projecto "GREENPRO", Energia Fotovoltaica - Manual sobre Tecnologias, Trojecto e
Instalação, ALTENER, 2004.
[24] P. U. B. d. A. Daniel Thomazini, Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações, Érica, 2005.
[25] d. I. e. d. D. Ministério da Economia, “Decreto-Lei nº118-A_2010,” Diário da República, p. 16,
25 Outubro 2010.
[26] M. d. E. e. d. Emprego, “Despacho DGEG de 27 de Março de 2012,” Diário da República, p. 2,
27 Março 2012.
[27] M. d. E. e. d. Emprego, “Despacho DGEG de 26 de Dezembro de 2011,” Diário da República,
p. 2, 26 Dezembro 2011.
Bibliografia 101
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
[28] d. I. e. d. D. Ministério da Economia, “Portaria nº1185_2010,” Diário da República, p. 1, 17
Novembro 2010.
[29] d. I. e. d. D. Ministério da Economia, “Portaria nº1278_2010,” Diário da República, p. 2, 16
Dezembro 2010.
[30] SoDa, “SoDa Service - Knowledge in Solar Radiation,” [Online]. Available: http://www.soda-
is.com/eng/index.html. [Acedido em 8 Maio 2012].
[31] Texas Instruments, “RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations,”
[Online]. Available: http://www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf. [Acedido em 27 1 2012].
102 Anexos
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
8 Anexos
8.1 Fabricação de Células Solares Para o processo de fabrico de uma célula solar, e como foi referido anteriormente, é
necessário silício. O silício encontra-se em quantidades abundantes no nosso planeta, só que
encontra-se no seu estado impuro. Na sua forma impura pode ser encontrado sob a forma de
areia ou quartzo, estes materiais são origem de reacções químicas que se deram na natureza,
entre o silício e o oxigénio. Para que seja possível fabricar células solares, é necessário atingir um
elevado grau de pureza, superior ao encontrado em componentes de electrónica.
De modo a atingir a pureza necessária o quartzo ou a areia são sujeitos a dois processos
de purificação. A purificação é principalmente a remoção do oxigénio que se encontra ligado com
os átomos do silício. No primeiro processo, a areia ou o quartzo são introduzidos num forno de
arco eléctrico juntamente com carbono. Esta mistura é então aquecida até cerca de 1800°C. O
resultado deste processo é dióxido de carbono e silício com cerca de 98% de pureza. Este nível de
pureza ainda não é suficiente para a produção de células solares.
O silício obtido no primeiro processo de purificação é sujeito a um segundo processo,
chamado de Processo Siemens. É um processo iterativo de destilação do silício e que permite obter
silício com um elevado grau de pureza. Neste processo o silício é finamente moído e misturado
com cloreto de hidrogénio, a reacção destes dois materiais dá origem a hidrogénio e triclorosilano.
Estes dois gases são então ventilados para o interior de um reactor, onde se encontram finas
hastes de silício muito puro, e aquecidos a uma temperatura de cerca de 1200°C. Ao longo deste
processo o silício proveniente do triclorosilano vai-se depositando nas hastes do reactor, em
forma de pequenos cristais, formando assim o polissilício. O polissilício já é uma forma do silício
suficientemente pura (≈99,99%) para a fabricação de células solares.
Após a obtenção de silício puro é necessário processá-lo de modo a criar um bloco único
de silício, de onde serão cortadas as células solares, através de uma serra de fio. Consoante se
pretende fabricar células monocristalinas ou policristalinas o processo de criação do bloco irá
variar. Para a produção das primeiras é utilizado o método de CzochralskiI, que permite cristalizar
o polissilício num único cristal. Neste método o polissilício é introduzido num depósito e fundido a
cerca de 1400°C. Assim que o polissilício estiver totalmente fundido é introduzida uma “semente”
na fundição. A “semente” ao estar inserida na fundição começa a girar e a efectuar um movimento
de ascensão, para fora da fundição. No final do processo obtém-se um único cristal de silício, daí o
nome das células produzidas por este processo serem chamadas de monocristalinas. A “semente”
que é utilizada neste processo não é mais que um pequeno cristal de polissilício. Na Figura 78
Anexos 103
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
pode-se observar uma ilustração representativa das etapas deste processo.
Polissilício
PolissilícioPolissilícioPolissilício
SementeCristal único
de Silício
Figura 78 - Ilustração método Czochralski.
Cortadas as células solares do cristal, estas são limpas e quimicamente desbastadas. De
seguida dá-se início ao processo de dopagem do silício. O processo de dopagem não é mais que a
adição de impurezas ao silício. A dopagem irá criar uma junção P-N, que é o coração de uma célula
solar, esta junção ao ser submetida a luz solar irá gerar uma corrente e por sua vez energia.
As células solares inicialmente já se encontram dopadas positivamente (P), isto ocorreu
durante o processo de formação do cristal. O boro é a impureza utilizada na criação desta camada.
O layer correspondente à dopagem negativa (N) é feito posteriormente através de uma difusão de
fósforo. A célula é introduzida num forno de difusão a cerca de 900°C com o respectivo gás de
fósforo, isto irá dopar a superfície superior da célula negativamente.
Agora que a junção P-N já está completamente formada é necessário criar as ligações
eléctricas. Na parte frontal da célula são impressas as linhas que vão receber a corrente gerada,
estas linhas prolongam-se até à parte posterior da célula onde serão ligadas a contactos eléctricos,
de modo a facilitar a ligação a outras células solares. As linhas tendem a ser o mais finas possível,
de modo a não bloquearem uma área muito grande de recepção solar. O material utilizado pode
ser cobre, alumínio ou níquel.
Figura 79 – Pormenor de linhas de ligação da célula solar (mais finas) a barramento (mais grosso).
104 Anexos
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
Após a produção da célula, esta tem um índice de reflecção muito elevado, o que iria
reflectir uma grande parte da luminosidade solar, prejudicando a produção. De modo a reduzir a
reflecção é aplicada uma camada de dióxido de titânio ou óxido de silício na face posterior da
célula. Isto aumenta a concentração da luminosidade solar, reduzido a reflecção.
Para finalizar a célula solar é encapsulada em borracha de silicone ou acetato de vinilo
etileno para a proteger dos agentes ambientais, como a humidade e poeiras.
Até aqui foi explicado o processo de produção de uma célula solar monocristalina, o
processo é bastante idêntico para outro tipo de células. No caso das células policristalinas, a única
diferença reside na criação do bloco de cristal. Em vez do método de Czochralski, o polissilício é
fundido num depósito, normalmente de forma quadrada, onde será arrefecido uniformemente
num determinado sentido. O bloco ao ser arrefecido faz com que o polissilício comece a cristalizar,
só que ao invés do método de Czochralski serão formados vários cristais ligados entre si, daí o
nome policristalinas. Na Figura 80 do lado esquerdo, pode-se observar o processo de formação do
bloco de cristal para fabrico de células policristalinas.
Polissilício
Sentido Arrefecimento
Figura 80 - Processo de formação do cristal para célula policristalina (esquerda) e aspecto de uma célula policristalina (direita).
Anexos 105
João Luís Cardoso Consolado Chambel dos Santos Dissertação de Mestrado
8.2 Esquema Eléctrico Módulo Painel
106 Anexos
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8.3 Esquema Eléctrico Adaptador Módulo Central
Anexos 107
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8.4 Esquema Eléctrico Adaptador Módulo Painel
108 Anexos
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8.5 Mensagens da Comunicação Este anexo tem como propósito aprofundar um pouco mais a análise das comunicações
implementadas. A implementação física, topologia e gestão já foi apresentada no corpo principal
da dissertação, sendo que aqui será detalhado o conteúdo das várias mensagens implementadas,
e que são trocadas entre o módulo central (Master) e os módulos painel (Slaves).
As comunicações implementadas são em modo confirmado, o que implica uma resposta
por parte do Slave a uma pergunta do Master, ficando este último informado do sucesso (ou não)
da mensagem enviada. A resposta não só indica a sua aquisição pelo Slave, como transporta
informação indicando ao Master que o conteúdo da pergunta foi bem interpretado e também se o
comando indicado na pergunta foi aplicado com sucesso.
Nas comunicações implementadas, a mensagem do Master (ou pergunta) terá sempre o mesmo
comprimento, só a mensagem do Slave (ou resposta) terá um comprimento variável consoante o
pedido do Master. Na Tabela 21 está a composição da pergunta enviada pelo Master, em que
todos os campos são considerados de 8bits (1byte), exceptuando os casos indicados na tabela.
Pergunta Master
0xFF 0xFF Master
ID Slave
ID Comando
Valor Comando H (2bytes)
Valor Comando L (2bytes)
CRC16 (2bytes)
0xFE 0xFE
Tabela 21 - Estrutura mensagem da pergunta Master.
Consoante o comando os Slaves saberão como processar a mensagem, e se devem
adquirir os valores High e Low do comando, isto após a verificação do remetente (Master ID),
destinatário (Slave ID) e CRC16. Na Tabela 22 é possível observar a utilidade dos valores comando,
consoante o número do comando e o significado dado aos valores.
Lista de Comandos
0 Leitura de valores Painel (Valores do Comando são ignorados)
1 Actuação Estado Relé (Valor Comando L = 0, remove painel da produção; Valor
Comando L = 1, adiciona painel à produção)
2 Configuração da Tensão de Segurança do Painel (Valor Comando H = Tensão de
Segurança, byte mais significativo = parte inteira do valor, byte menos significativo = parte decimal do valor)
3 Sinalização do Painel (Valor Comando L = 1, activa sinalização)
4 Modo Manual para Controlo do Relé (Valor Comando L = 0, para relé aberto) Tabela 22 - Consideração dos campos "Valor Comando" e seu significado consoante o comando.
De seguida serão apresentadas as respostas do Slave consoante o comando enviado pelo
Master.
Anexos 109
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Resposta do Slave ao Comando “0”
0xFF
0xFF
Master ID
Slave ID
Comando
Valor Tensã
o (2byte
s)
Valor Corren
te (2byte
s)
Temperatura
Estado Produç
ão
CRC16 (2byte
s)
0xFE
0xFE
Tabela 23 - Campos da mensagem de resposta do Slave ao comando "0".
Resposta do Slave ao Comando “1” e “4”
0xFF 0xFF Master
ID Slave
ID Comando
OK + Estado Produção (3bytes)
CRC16 (2bytes)
0xFE 0xFE
Tabela 24 - Campos da mensagem de resposta do Slave ao comando "1" e “4”.
Resposta do Slave ao Comando “2” e “3”
0xFF 0xFF Master
ID Slave ID Comando
OK (2bytes)
CRC16 (2bytes)
0xFE 0xFE
Tabela 25 - Campos da mensagem de resposta do Slave ao comando "2" e "3".
110 Anexos
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8.6 Datasheet Inversor SunnyBoy 700-US
Anexos 111
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112 Anexos
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8.7 Datasheet SUNPORT 72M
Anexos 113
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